Кислотные и щелочные концентрации

Аррениусовая кислота — это вещество, которое производит ионы водорода при растворении в воде, в то время как основание производит гидроксид-ионы. Ионы водорода немедленно вступают в реакцию с водой с образованием ионов гидроксония, но для простоты мы продолжим думать о них как об ионах водорода. В зависимости от количества ионов водорода или гидроксид-ионов в растворе, он считается кислым или основным.

Мы измеряем количество кислотности или основности с помощью pH, который рассчитывается как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. Таким образом, значения pH ниже 7 являются кислыми, а значения pH выше 7 — базовыми. pH 7 нейтральный.

Кислоты и основания также сравниваются на основе их концентрации, которая отличается от их pH. Прочность кислоты связана с тем, насколько легко ион водорода диссоциирует с анионом, называемым сопряженным основанием. Та же идея вытекает и для основания по отношению к гидроксид-иону и его сопряженной кислоте. Мы можем присвоить значение этой прочности, используя константу кислотной диссоциации, или K_a.

K_a определяется с использованием концентраций недиссоциированной кислоты и диссоциированных ионов водорода и сопряженного основания. Вы часто можете видеть, как это соотношение представлено в виде pK_a, который является просто отрицательным логарифмом K_a. Чем меньше pK_a, тем сильнее кислота.

Некоторые кислоты, такие как соляная кислота, являются монопротными, что означает, что они могут диссоциировать только один ион водорода. Полипротонные кислоты, как и фосфорная кислота, могут диссоциировать несколько ионов водорода. Каждая диссоциация имеет свой собственный pK_a.

Итак, как мы можем определить pK_a? Одним из способов является проведение кислотно-щелочного титрования. Титрование выполняется путем медленного добавления раствора известной концентрации к раствору с неизвестной концентрацией при одновременном наблюдении за реакцией между ними. При этом кислота вступает в реакцию нейтрализации с основанием с образованием соли и воды.

Таким образом, если мы хотим измерить концентрацию ионов водорода в кислоте, мы можем просто титровать сильным основанием с известной концентрацией гидроксид-ионов до тех пор, пока кислота не будет нейтрализована. Чтобы точно выполнить титрование, основание должно быть стандартизировано, то есть вы должны знать точную концентрацию гидроксид-ионов. Это не всегда просто.

Например, NaOH, который вы будете использовать в своем эксперименте, очень гигроскопичен, то есть поглощает воду из атмосферы. Это происходит с NaOH как в твердом виде, так и в растворе. Таким образом, истинная концентрация раствора NaOH может быть ниже, чем можно было бы ожидать.

Чтобы определить точную концентрацию NaOH, мы должны сначала провести кислотно-щелочное титрование. Для этого необходимо с помощью основания титровать кислоту с известной концентрацией. Гидрофталат калия, ХП, является негигроскопичной кислотой, поэтому мы можем точно рассчитать его концентрацию по его массе.

Мы можем увидеть, когда титрование завершено, то есть кислота нейтрализована, с помощью индикатора pH, такого как фенолфталеин. Фенолфталеин нейтрален и бесцветен при температуре от pH 0 до pH 8.

По мере увеличения pH два иона водорода диссоциируют. Эта анионная форма розового цвета. Итак, когда мы начинаем титрование, раствор KHP кислый, а фенолфталеин бесцветный. По мере добавления NaOH и нейтрализации ионов водорода pH увеличивается.

В этой реакции раствор является нейтральным, если равное количество кислоты и основания было смешано вместе. После этого добавление еще немного NaOH делает pH базовым и раствор становится розовым. Это называется конечной точкой. Если мы знаем моли KHP и объем NaOH, используемого для его нейтрализации, мы можем рассчитать точную концентрацию основания.

Как только у нас есть стандартизированное основание, мы можем определить_{pK A} кислоты, титруя известную концентрацию кислоты с помощью нашего стандартизированного основания при мониторинге pH. График зависимости pH от объема добавленного основания называется кривой титрования. Кривая обычно имеет S-образную или сигмоидальную форму, где точка перегиба самой крутой части кривой обозначает точку эквивалентности.

При этом моли ионов гидроксида и диссоциированных ионов водорода равны. Как и в случае с pK_a, мы увидим одну точку эквивалентности для каждого диссоциированного иона водорода. Таким образом, монопротоновая кислота имеет только одну точку эквивалентности, а трипротоновая кислота — три.

Когда мы выполним титрование, мы будем знать, что прошли точку эквивалентности, когда показатель pH едва превращается из бесцветного в розовый. Это называется конечной точкой титрования. Например, когда мы стандартизируем основание, это когда раствор имеет небольшой избыток гидроксид-ионов и, таким образом, является слегка основным.

Еще одна точка перегиба на графике находится на полпути к точке эквивалентности. При этом концентрации диссоциированных и недиссоциированных кислот равны. Таким образом, рН в этой точке равен pK_a. Таким образом, если мы проведем титрование и определим объем точки эквивалентности, то мы можем рассчитать pK_a как pH при половине этого объема.

В этой лаборатории вы сначала стандартизируете основание, а затем проведете титрование с использованием этого стандартизированного основания, чтобы определить два_{pK A} полипротонной кислоты.